(57)【要約】      （修正有）【課題】使用に際して生ずる温度サイクルにより、端子部と電極部との接合部の破損発生を確実に抑制し、さらに、このような構成を実現しても電極部から端子部への電気伝導性の低下発生を最小限に抑制することができるパワーモジュールを提供する。【解決手段】絶縁基板１１の表面に形成された回路１２に半田１６を介して搭載されたＳｉチップ１４の電極部２１に、端子部１８が接続されたパワーモジュールであって、電極部２１と端子部１８との間に層２３を挿入する。層２３は３層の積層体であって、電極部２１側及び端子部１８側に各々配設された応力緩衝材として作用する低変形抵抗体と、これら低変形抵抗体同士の間に配設された、低変形抵抗体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体とを備え、前記低変形抵抗体は各々、略同一の厚さで形成されている。【選択図】  図１
2005019694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板表面側に形成された電極部に、端子部が接続されたパワーモジュールであって、
前記電極部と前記端子部との間に、３層の積層体が挿入され、
該積層体は、前記電極部側及び前記端子部側に各々配設された、室温における０．２％耐力が５０ＭＰａ以下とされた低変形抵抗体と、
これらの低変形抵抗体同士の間に配設された、当該低変形抵抗体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体とを備え、
前記低変形抵抗体は各々、略同一の厚さで形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
絶縁基板表面側に形成された電極部に、端子部が接続されたパワーモジュールであって、
前記端子部は、少なくとも前記電極部と接続する部分が、前記電極部側から順に第１，第２，第３の層が積層された構成とされ、
前記第１，第３の層は、室温における０．２％耐力が５０ＭＰａ以下とされた低変形抵抗体により形成され、
前記第２の層は、前記低変形抵抗体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体により形成され、
前記第１，第３の層は各々、略同一の厚さで形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載のパワーモジュールにおいて、
前記低熱膨張体は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金から形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種のパワーモジュールは、絶縁基板の上面に回路層が、下面に金属層が各々設けられ、回路層表面にＳｉチップが、金属層表面に放熱体が各々設けられた構成となっている。ここで、Ｓｉチップの表面には電極層が設けられ、回路層には電極パッドが形成されており、これら電極層及び電極パッド表面に、純ＣｕまたはＣｕ合金により形成され、かつ、前記電極層及び電極パッドからの電気信号を取出す端子部が、はんだ接合された構成のものが一般的である。
【０００３】
この構成において、前記電極層を有するＳｉチップ，及び前記電極パッドを有する絶縁基板側と、端子部との熱膨張係数差が大きいため、このパワーモジュールを使用する際に生ずる温度サイクルによって、これらの接合部が破損し易いという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するための手段として、前記熱膨張係数差を低減させるための応力緩衝部材としての積層体を前記電極層等と端子部との間に挿入し、さらに、この積層体と前記電極層等及び端子部とを拡散接合等により強固な接合状態とする構成が開示されている（例えば特許文献１参照）。この積層体は、モリブデンまたはタングステンのベース板と、このベース板の一方の面に形成された純Ａｌ等からなる厚さ０．２ｍｍの層と、他方の面に形成された純Ａｌ等からなる厚さ０．５μｍ以上４．０μｍ以下の膜とを備えた略２層の積層構造となっている。そして、この積層体は、前記一方の面に形成された前記層が端子部に接続され、前記他方の面に形成された前記膜が超音波接合により前記電極層に接続されている。
【０００５】
しかしながら、前記従来のパワーモジュールにおいては、前記ベース板の前記他方の面に形成された膜が前記厚さで形成されているので、積層体は、モリブデン等からなる低熱膨張体と、純Ａｌ等からなり前記低熱膨張体より熱膨張係数が大きい低変形抵抗体とを備えた略２層の積層構造となっている。従って、この積層体を形成する際の熱，及び低変形抵抗体と低熱膨張体との熱膨張係数差に起因して、積層体を平坦に形成することが困難であるという問題があった。従って、このように形成された積層体は、前記電極パッド等及び端子部に良好に接合することができず、端子部及び電極部と積層体との接合強度の低下，及び電極部から積層体を介して端子部への電気伝導率の低下を招来するという問題があった。
【０００６】
さらに、前記ベース板がモリブデンまたはタングステンにより形成されているので、前記熱膨張係数差の低減を図るために、積層体が具備すべき熱膨張係数を実現すると、前記ベース板の厚さが厚くなり過ぎ、形成された積層体の電気伝導性が低下するという問題があった。また、モリブデン及びタングステンは、いわゆる難削材であるのでこのパワーモジュールの高コスト化を併発するという問題があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０９−６４２５８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、使用に際して生ずる温度サイクルにより、端子部と電極部との接合部の破損発生を確実に抑制し、さらに、このような構成を実現しても電極部から端子部への電気伝導性の低下発生を最小限に抑制することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、絶縁基板表面側に形成された電極部に、端子部が接続されたパワーモジュールであって、前記電極部と前記端子部との間に、３層の積層体が挿入され、該積層体は、前記電極部側及び前記端子部側に各々配設された、室温における０．２％耐力が５０ＭＰａ以下とされた低変形抵抗体と、これらの低変形抵抗体同士の間に配設された、当該低変形抵抗体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体とを備え、前記低変形抵抗体は各々、略同一の厚さで形成されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明に係るパワーモジュールによれば、前記各低変形抵抗体が略同一厚さで形成されているので、この積層体を形成する際、及びこの積層体を電極部及び端子部と接合する際に、この積層体に反りが発生することを回避することができる。
すなわち、低熱膨張体と低変形抵抗体とを加熱して接合し、積層体を形成する際、これら低熱膨張体と低変形抵抗体との熱膨張係数差に起因して、反りが発生し易い構成となっている。しかしながら、低熱膨張体の上面と一方の低変形抵抗体との接合により生じた反りは、この低熱膨張体の下面と他方の低変形抵抗体との接合により生じた反りにより打ち消されることになる。従って、積層体を確実に平坦に形成することができる。
これにより、端子部と絶縁基板側との熱膨張係数差を低減させることができる積層体を、前記電極部及び端子部に良好に接合することができるので、端子部及び電極部と積層体との接合強度の低下，及び電極部から積層体を介して端子部への電気伝導性の低下を確実に抑制することができる。以上により、使用に際して生ずる温度サイクルにより、端子部と電極部との接合部の破損発生を確実に抑制し、さらに、このような構成を実現しても電極部から端子部への電気伝導性の低下発生を最小限に抑制することができるパワーモジュールを提供することができる。
【００１１】
また、前記低変形抵抗体は、室温における０．２％耐力が５０ＭＰａ以下、好ましくは３０ＭＰａ以下とされた変形抵抗が小さい材料、例えば、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金等により形成されているので、積層体と端子部及び前記電極部との接合部に作用する負荷，例えば使用時における温度サイクルにより発生する熱応力を確実に低減することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、絶縁基板表面側に形成された電極部に、端子部が接続されたパワーモジュールであって、前記端子部は、少なくとも前記電極部と接続する部分が、前記電極部側から順に第１，第２，第３の層が積層された構成とされ、前記第１，第３の層は、室温における０．２％耐力が５０ＭＰａ以下とされた低変形抵抗体により形成され、前記第２の層は、前記低変形抵抗体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体により形成され、前記第１，第３の層は各々、略同一の厚さで形成されていることを特徴とする。
【００１３】
この発明に係るパワーモジュールによれば、端子部が、低変形抵抗体のみからなる場合と比べ、熱膨張係数が低くされているので、この端子部を電極部に接合する際に、端子部に発生する反り量を低減することができる。これにより、端子部と電極部との接合状態が良好とされたパワーモジュールを容易に得ることができる。また、前記第１，第３の層は各々、略同一の厚さとされているので、前記第１，第２，第３の層を各々加熱して接合することにより端子部を形成する際、この端子部の少なくとも電極部と接続する部分を容易に平坦とすることができる。これにより、端子部と電極部との接合状態がさらに良好とされたパワーモジュールを容易に得ることができる。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１または２に記載のパワーモジュールにおいて、前記低熱膨張体は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金から形成されていることを特徴とする。
【００１５】
この発明に係るパワーモジュールによれば、低熱膨張体がＦｅ−Ｎｉ系合金により形成されているので、この低熱膨張体の厚さを、積層体の電気伝導性を低下させない程度に薄くしても、端子部と絶縁基板側との熱膨張係数差の低減を図るために、積層体が具備すべき熱膨張係数を確実に実現することができる。また、Ｆｅ−Ｎｉ系合金は、良好な加工性を有するので、このパワーモジュールの低コスト化を図ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。
本実施形態のパワーモジュール１０は、図１に示すように、絶縁基板１１と、絶縁基板１１の一方の面に積層される回路層１２と、絶縁基板１１の他方の面に積層される金属層１３と、回路層１２に搭載されるＳｉチップ１４と、金属層１３に接合される放熱体１５と、Ｓｉチップ１４と接合される端子部１８とを備えている。
【００１７】
絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により所望の大きさに形成されるものであって、その上面側に回路層１２が積層接合され、下面側に金属層１３が積層接合されるようになっている。
回路層１２は、純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ、Ｃｕ合金等により形成されるものであって、回路層１２には所定のパターンの回路が形成され、この回路上にはんだ１６を介してＳｉチップ１４が搭載されるようになっている。
金属層１３は、回路層１２と同様に、純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ、Ｃｕ合金等により形成されるものであって、その下面側にはんだ１７又はろう付け、拡散接合等によって放熱体１５が接合されるようになっている。なお、放熱体１５は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，Ｃｕ合金，ＡｌＳｉＣ，ＡｌＣ，またはＣｕ−Ｍｏ等により形成されている。
【００１８】
Ｓｉチップ１４の上面には電極層２１が設けられ、この電極層２１上に金属間化合物層２２を介して積層体２３が接合され、この積層体２３上に金属間化合物層２４を介して純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成された端子部１８が接合されている。すなわち、電極層２１と端子部１８との間に、積層体２３が挿入された構成となっている。
【００１９】
この積層体２３は、図２に示すように、端子部１８とＳｉチップ１４との熱膨張係数差を低減させるための、いわば応力緩衝材としての作用を有し、３層の積層構造とされている。すなわち、電極層２１側に一方の低変形抵抗体２３ａを、端子部１８側に他方の低変形抵抗体２３ｃを各々備え、これら低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ同士の間に低熱膨張体２３ｂを備え、これら各層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ同士は、図示しない厚さ０．００５μｍ以上の金属間化合物層を介して積層接合されている。これにより、パワーモジュール１０の使用時における温度サイクルによっても、前記各層２３ａ，２３ｂ，２３ｃが層間剥離し難いようになっている。
【００２０】
ここで、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃとしては、熱膨張係数が１２×１０−６／℃以上であり、かつ、変形抵抗が比較的小さい（例えば、雰囲気温度約２０℃の室温における０．２％耐力が５０ＭＰａ以下、好ましくは３０ＭＰａ以下）材質、例えば純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金等、好ましくは純度９９．９８％以上の純Ａｌ，または純度９９．９９９％以上の純Ｃｕにより形成されている。また、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃは各々、略同一の厚さで形成され、この厚さは例えば、０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とされている。
【００２１】
低熱膨張体２３ｂは、熱膨張係数がおよそ２．０×１０−６／℃以下の材質により形成され、例えばＦｅ―Ｎｉ系合金，より好ましくはインバー合金により形成されている。ここで、インバー合金とは、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。但し、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【００２２】
ここで、低熱膨張体２３ｂは、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃと比べて電気伝導性や熱伝導率が低いので、この低熱膨張体２３ｂの厚さを厚くし過ぎると積層体２３が、必要十分な電気伝導性及び熱伝導率（例えば，１００Ｗ／ｍＫ以上）を具備し得ないことになる。従って、この低熱膨張体２３ｂの厚さは、積層体２３が前記緩衝材としての作用を有し、かつ、必要十分な電気伝導性及び熱伝導率を具備するように設定され、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃの厚さが前記範囲に設定される場合には、０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ以下に設定される。
【００２３】
次に、以上のように構成されたパワーモジュール１０を形成する製造方法について説明する。
まず、絶縁基板１１の上面に回路層１２を，下面に金属層１３をそれぞれ、はんだ付け，またはろう付けにより積層接合し、その後、金属層１３の下面と放熱体１５の上面とをはんだ１７を介して積層接合し、回路層１２の上面とＳｉチップ１４とをはんだ１６を介して積層接合する。
そして、Ｓｉチップ１４の電極層２１表面に図示しないＮｉめっき層を形成した後、このＮｉめっき層表面に、Ｓｎ−３．５Ａｇからなる図示しないＳｎ系材料層を形成する。ここで、Ｎｉめっき層のリンＰ濃度は１２．０重量％以上，より好ましくは１２．０重量％以上１５．０重量％以下とされ、また、Ｓｎ系材料層はＳｎの含有率が８０％以上，より好ましくは９０％以上とされている。
【００２４】
ここで、端子部１８には、その外表面のうち少なくとも、積層体２３との接合部に、図示しないＳｎ系材料層を形成しておく。
次に、積層体２３を形成する方法について説明する。
まず、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ及び低熱膨張体２３ｂの表面に、図示しなＮｉめっき層を形成した後、このＮｉめっき層表面のうち、これら各層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ同士が互いに接合し合う面に、前記Ｓｎ系材料層を形成する。
【００２５】
その後、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ及び低熱膨張体２３ｂの前記各接合面側の表面に形成された前記Ｓｎ系材料層同士を当接した後、この状態で、０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記各Ｓｎ系材料層の全てを、Ｓｎ及びＮｉを主成分として含有する図示しない金属間化合物層にすることにより、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ及び低熱膨張体２３ｂが積層接合され積層体２３が形成される。この際、積層体２３の外表面には、Ｎｉめっき層が形成された構成となっている。
【００２６】
次に、形成された積層体２３の上下面におけるＮｉめっき層表面に前述と同様のＳｎ系材料層を形成する。その後、この積層体２３のＳｎ系材料層と、電極層２１及び端子部１８に形成したＳｎ系材料層とが当接するように、積層体２３を、電極層２１及び端子部１８により狭持した状態で、０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱する。これにより、前記各Ｓｎ系材料層を、Ｓｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合物層２２，２４にすることにより、電極層２１と積層体２３とが金属間化合物層２２を介して、積層体２３と端子部１８とが金属間化合物層２４を介して各々積層接合される。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール１０によれば、積層体２３の各低変形抵抗体２３ａ，２３ｃが略同一厚さで形成されているので、この積層体２３を形成する際、及び積層体２３を電極層２１及び端子部１８と接合する際に、この積層体２３に反りが発生することを回避することができる。
【００２８】
すなわち、積層体２３の形成は、低熱膨張体２３ｂと低変形抵抗体２３ａ，２３ｃとを金属間化合物層を介して接合することにより行い、この金属間化合物層を形成する際の加熱，冷却により、これら各層２３ａ，２３ｃと２３ｂとの熱膨張係数差に起因して、反りが発生し易い構成となっている。しかしながら、前述した構成とすることにより、低熱膨張体２３ｂの上面と一方の低変形抵抗体２３ｃとの接合により生じた反りは、この低熱膨張体２３ｂの下面と他方の低変形抵抗体２３ａとの接合により生じた反りにより打ち消されることになる。従って、積層体２３を確実に平坦に形成することができる。
【００２９】
これにより、端子部１８と電極層２１との熱膨張係数差を低減させることができる積層体２３を、電極層２１及び端子部１８に良好に接合することができるので、端子部１８及び電極層２１と積層体２３との接合強度の低下，及び電極層２１から積層体２３を介して端子部１８への電気伝導性の低下を確実に抑制することができる。以上により、使用に際して生ずる温度サイクルにより、端子部１８と電極層２１との接合部の破損発生を確実に抑制し、さらに、このような構成を実現しても電極層２１から端子部１８への電気伝導性の低下発生を最小限に抑制することができるパワーモジュール１０を提供することができる。
【００３０】
また、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃは、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金等により形成され、より好ましくは純度９９．９８％以上の純Ａｌ，または純度９９．９９９％以上の純Ｃｕにより形成されているので、積層体２３の上層及び下層の変形抵抗を小さくすることができる。従って、この積層体２３と端子部１８及び電極層２１との接合部に作用する負荷，例えば使用時における温度サイクルにより発生する熱応力を確実に低減することができる。
【００３１】
さらに、低熱膨張体２３ｂがＦｅ−Ｎｉ系合金により形成されているので、この低熱膨張体２３ｂの厚さを、積層体２３の電気伝導性を低下させない程度に薄くしても、端子部１８とＳｉチップ１４側との熱膨張係数差の低減を図るために、積層体２３が具備すべき熱膨張係数を確実に実現することができる。また、Ｆｅ−Ｎｉ系合金は、良好な加工性を有するので、このパワーモジュール１０の低コスト化を図ることができる。
【００３２】
さらにまた、低熱膨張体２３ｂと低変形抵抗体２３ａ，２３ｃとの接合、及び積層体２３と電極層２１及び端子部１８との接合を各々、金属間化合物層を介して行っているので、使用時に温度サイクルが作用した場合においても、この接合部に熱による劣化が発生することを最小限に抑制することができ、高い接合信頼性を有するパワーモジュール１０を提供することができる。
【００３３】
ここで、金属間化合物層は、一般のはんだ層と比べると高強度となるので、この層の破断強度の向上，すなわち接合強度の向上を図ることができるが、その反面、この金属間化合物層の熱膨張係数が，この層により接合される部材（低熱膨張体２３ｂ、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ、端子部１８、電極層２１）の熱膨張係数と異なっている構成において、これに使用時における温度サイクルが作用すると、高強度の金属間化合物層が前記各部材２３ａ，２３ｂ・・・の熱変形を拘束し、これらの接合部が破損することが考えられる。
【００３４】
しかしながら、本実施形態においては、金属間化合物層により接合される部材の少なくとも一方は、変形抵抗の小さい純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成されているので、パワーモジュール１０に前記温度サイクルが作用した場合においても、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ、電極層２１及び端子部１８の各表面における金属間化合物層との接合部では熱による膨張，収縮変形が金属間化合物層により拘束されるが、この接合部以外では金属間化合物層により略拘束されずに膨張，収縮変形することになる。従って、パワーモジュール１０を温度サイクル下で使用した場合においても、金属間化合物層と前記各部材２３ａ，２３ｂ・・・との接合界面に作用する負荷が最小限に抑制され、パワーモジュール１０を構成する各接合部に対する高信頼性を確実に実現することができる。
【００３５】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、Ｓｎ系材料層を形成するに際し、いわゆる印刷法を適用して形成することで、高効率生産を実現することもでき、また、電解めっき処理を施すことによりＳｎ系材料層を形成してもよい。
【００３６】
さらに、端子部１８をＳｉチップ１７の電極層２１に接合した構成を示したが、この構成に限らず、回路層１２に電極部が形成された場合には、この電極部に接合してもよい。さらにまた、金属間化合物層２２，２４は、はんだ層であってもよい。
また、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃと低熱膨張体２３ｂとの接合を図示しない金属間化合物層を介して行ったが、Ａｌ−Ｓｉからなるろう材を介して接合してもよい。
【００３７】
さらに、ＣｕまたはＣｕ合金からなる端子部１８と、電極層２１とを積層体２３を介して接合したが、図３に示すように、端子部１９自体を３層の積層体としてもよい。
すなわち、端子部１９を、少なくとも電極層１９と接続する部分が、電極層２１側から順に第１の層１９ａ，第２の層１９ｂ，及び第３の層１９ｃが積層した構成とし、第１，第３の層１９ａ，１９ｃは、前述した低変形抵抗体としての、ＣｕまたはＣｕ合金により形成し、第２の層１９ｂは、前述した低熱膨張体としての、Ｆｅ−Ｎｉ系合金により形成し、第１，第３の層１９ａ，１９ｃを各々、略同一の厚さで形成してもよい。そして、端子部１９の第１の層１９ａを、金属間化合物層２２、またははんだ層を介して電極層２１に接合してもよい。この構成においても、前記実施形態と略同様に、端子部１９と電極層２１との良好な接合状態を実現することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るパワーモジュールによれば、使用に際して生ずる温度サイクルにより、端子部と電極部との接合部の破損発生を確実に抑制し、さらに、このような構成を実現しても電極部から端子部への電気伝導性の低下発生を最小限に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】図１に示す積層体の拡大図である。
【図３】この発明の他の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。
【符号の説明】
１０  パワーモジュール
１１  絶縁基板
１８，１９  端子部
１９ａ  第１の層
１９ｂ  第２の層
１９ｃ  第３の層
２１  電極層（電極部）
２３  積層体
２３ａ，２３ｃ  低変形抵抗体
２３ｂ  低熱膨張体
【図１】
2005019694.tif 000003
【図２】
2005019694.tif 000004
【図３】
2005019694.tif 000005